全球趋势下无线嵌入式系统的系统级设计和检验
微波射频网 2022-11-29
Darren McCarthy,泰克公司
设计和采样无线系统,以便能够用于世界不同地区,带来了一个重大挑战。如果大家能够就使用的频率、调制类型、功率电平和带宽达成一致,结果不是很好吗?遗憾的是,这们生活的世界并不是这样的,无线电法规在不同地区之间变化很大,特别是没有牌照的无线电控制和遥测应用使用的部分频率。
对某些应用来说,在2.4 GHz上运行的标准化无线电 (如蓝牙、ZigBee或Wi-Fi)可以几乎用于世界上任何地方。但是,对其它应用来说,改进大楼穿透力、降低干扰、减少低频无线电的能耗可能是更好的选择。在这种情况下,设计人员的任务是优化和检验无线电集成电路,这些集成电路用于相同应用,但用于不同地区。
本文考察了嵌入式无线电集成电路和模块技术,这些技术非常灵活,可以优化用于北美和欧洲地区。这些无线电集成电路和模块一般拥有数十个设置寄存器,实现了这种灵活性。为了满足不同市场要求,包括功率、频率和占用带宽,工程师必须能够检验无线电的RF运行,确认发送到无线电的命令和数据是正确的。
过去,这是一项很难的任务,因为需要关联无线电发射机的RF输出,同时读取控制信号,包括能够触发和解码SPI和其它总线,以及测量吸收电流、电源电压及其它模拟信号和数字信号。一般来说,这需要结合使用示波器和频谱分析仪进行测量,然后手动关联捕获的信号。最近,泰克推出业内第一个、也是唯一一个商用混合域示波器(MDO),把示波器和频谱分析仪融合在一台仪器中。在本文中,我们将说明可以怎样使用这一仪器,促进北美和欧洲地区的无线电集成电路优化。
了解法规
在大楼中传播信号时,900 MHz范围内的无线电集成电路的效率要高于2.4 GHz频段的集成电路。这些集成电路可以用于世界上大部分地区,可以灵活地进行不同配置,满足当地法规。首先,应清楚地了解您针对的不同地区允许使用哪些频段。
在欧洲大部分地区,没有牌照的无线电系统允许在868 MHz范围内工作,拥有足够的功率,在某些国家和频段中可以以25 mW或更高的发射机功率涵盖大楼内几百英尺的范围。这些系统还必须拥有有限的占用带宽,因为法规中提供的频谱段相对较窄。
相比之下,在北美,915 MHz周围没有牌照的频谱分配范围相对较大(902 - 928 MHz)。但是,为了以几分之一毫秒以上的功率发送,信号必须扩散到至少500 kHz的频谱中,进一步限制了峰值功率。北美市场允许选择窄带低功率应用,或900 MHz频谱中较高功率的宽带应用。还可以采用跳频,但这要求的软件一般要比宽带(数字)调制复杂得多。尽管使用带宽较宽的信号有某些劣势,但它可以提供更高的数据吞吐量。与北美允许的窄带信号中低得多的功率电平相比,更宽的带宽及更高的发射机功率可以用于更长的量程。
我们选择使用MRF89XAM8A模块上的Microchip Technologies MRF89XA IC,来阐述部分集成问题及确认正确运行所需的测试。除在工作模式上灵活性大以外,这种集成电路的接收机能耗低,适合用于电池供电的应用。为方便起见,我们使用为868 MHz频段优化的同一模块,但北美需要的元件一般会略有不同。
在仪器一侧,我们使用泰克MDO4104-6混合域示波器。它能够同时显示直到1 GHz带宽的多个模拟信号、16个数字波形(包括数字数据解码)以及高达6 GHz的RF信号。所有这些信号都可以时间相关,显示控制信号和模拟信号对RF时域和频域的影响。
为了演示需要测量的信号,以保证两种发射机模式正确运行,我们使用Microchip Explorer 16演示电路板,控制无线电模块,允许连接示波器。1说明了使用的设置。
1 – 被测器件(Microchip MRF89XA模块)和混合域示波器之间的测试连接。
性能设置和测量
对欧洲大部分地区来说,在868 MHz频段中,允许最高25 mW的功率,带宽一般为100 kHz (视特定子频段而定)。对这一系统,把它设置成以每秒5 kb速率发送FSK (频移键控),标称偏差为33 kHz。2中的橙色条显示了前置码部分传输期间捕获的这个信号的频谱约为4ms,以及同一时间刻度上多条时域曲线。Spectrum Time通过把窗口整形因数除以解析带宽(RBW)确定。在这个实例中,Kaiser Window函数及2.23的整形因数和550 Hz RBW要求的采集时间约为4 ms。频域画面中还显示了总功率和占用带宽测量数据。
2 – 时域和频域视图和测量(注意注释)
在前置码期间测得的占用带宽为98 kHz,满足这个FSK信号的技术规范。1.4 dBm的输出功率(刚刚大于1 mW)低于目标,但在国家法规允许时,通过使用匹配更好的高增益天线或简单的功放器,可以简便提高到25 mW或以上。在屏幕上半部分,绿色曲线(曲线4)是模块吸收的电流。黄色曲线(曲线1)显示了为模块提供的电压。曲线A是RF信号的幅度。注意在集成电路启动时,电流刚开始时上升了几mA。只有在电流达到整整40 mA时,我们才能看到RF信号。
频率随时间变化曲线用橙色曲线“f”表示,显示了每格50 kHz时信号FSK调制的频率偏差。这证实了频谱(频域)及时域中预计的+/-33 kHz偏差。
3中,在数据包晚一点的时候获得频谱,如橙色条新的位置所示。输出功率相同,更多的能量位于较低的调制频率上,这与频率随时间变化曲线中符号包表示的数据一致。可以使用这一功能,查找RF输出或调制中的任何畸变。MDO能够提供电源、调制和RF频谱的时间关联,这种能力在单独的示波器和标准频谱分析仪中很难复现。一个选项是打印输出,然后把屏幕重叠在一起。这将保证两台仪器能够一起触发,虽然很难,但不是不可能。
3频谱位于数据包迟一些的地方,这时的符号能量主要来自FSK调制信号的较低频率。
查看从微控制器发送到无线电的命令也有很大帮助。通过把数字探头连接到SPI总线上,SPI总线连接无线电模块,可以打开SPI总线解码,查看与数字数据对准的频谱。
MDO设置成在屏幕中采集100万样点。尽管数字信号很快,但使用卷动和缩放功能可以看到数据。4显示了数据包发送前的解码数据。发送的数据是0x01, 0x02, …0x08,在图中可以看到解码后的数据。在屏幕的时域部分底部,现在还可以看到数据的数字版本。
4解码后的数据和数字波形
在这个画面中,Spectrum Time现在包括从预触发中采样的数据及开机特点,因为它包括RF信号为“ON”和“OFF”时的样点,用下降的功率电平显示。通过为命令选择解码行,而不是数据,可以以类似方式解码和检查命令。
5使用卷动和缩放功能,显示了解码后的命令读写整体配置寄存器。SPI(MOSI)行的第一对字节读取通用配置寄存器,在SPI(MISO)行中返回值30。第二对字节00 30在868 MHz频段中,把地址0上的通用配置寄存器设置成待机模式。
5解码后的命令和数字波形
这种方法适合确认正确设置了无线电集成电路。另一种技术是触发SPI命令。例如,可以使用仪器,触发命令040B,设置发射机输出的频率偏差。SPI触发将设置成触发一个两字节字,第一个字节是命令。可以在MRF89XA无线电集成电路产品技术资料的帮助下,解码其余的命令。
可以在一个画面中评估SPI命令和RF事件之间的开机时延,如6所示。其实现方式为:使用SPI(MOSI)触发条件,设置频率偏差,改变水平时基(200 µs/div),使用放大功能,测量SPI命令的影响。在通道4(绿色曲线)上测量吸收电流,频率随时间变化(橙色曲线)现在演示了RF信号出现时间大约迟了700 µs。
6. 触发SPI(MOSI)命令,查看频率随时间变化曲线。
北美设置基于FCC rule 15.247规定
如前所述,FCC规定要求更宽的带宽,以足够的功率在明显的室内量程中发送数据。尽管这可以实现更快的数据传输,但有效的接收机灵敏度会下降。为实现这种更宽的带宽,一种策略是把数据速率提高到200 kbps,把偏差提高到+/- 200 kHz。
7中,显示了数据包前置码期间的频谱。现在占用带宽超过500 kHz,因此满足法规要求。时域频率随时间变化—曲线 “f,”显示了预期的+/- 200 kHz偏差。另外,注意电流(绿色曲线4)和RF幅度(曲线A)信号相互追踪。
7宽带频谱和测量
下一步,我们将查看同一信号,但比较数据部分的频谱。在本例中,占用带宽小于前置码期间。这一测量对确定是否仍满足法规非常重要。然后,通过触发偏差命令,可以确定偏差值。在本例中,偏差为01,对应200 kHz,这是这一无线电集成电路允许的最宽设置。
小结
嵌入式无线电集成电路和模块在配置无线电系统,满足不同地区法规要求及任何特殊应用要求(如频率、功率电平和占用带宽)方面提供了巨大的灵活性。这些无线电集成电路和模块一般有数十个设置寄存器,实现了这种灵活性。对工程师来说,非常重要的一点是能够检验无线电的RF运行,确认发送到无线电的命令和数据是正确的。
混合域示波器可以观察和关联无线电发射机的RF输出,同时读取控制信号或测量吸收电流、电源电压和其它模拟信号和数字信号。为确认发送的数据,MDO可以提供时域版的RF信号,包括频率、幅度和相位随时间变化。如前所述,MDO为开发、调试和确认无线系统满足法规要求提供了一种改进方式。
关于作者
Darren McCarthy现任泰克公司全球RF技术市场经理。20多年来,他先后担任各种测试测量职位,包括研发工程师、研发项目经理、产品规划、业务和市场拓展。从业期间,他在多家IEC技术委员会和工作组,作为技术顾问和工作组成员,代表美国制订国际EMC标准,目前在多家行业标准工作组和论坛中代表泰克公司。他最新出版的专著涉及非线性器件检定及超宽带测量挑战等多项课题。他毕业于美国伊利诺伊斯州埃文斯顿西北大学电气工程专业,获得学士学位。
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